La fusión selectiva por láser (SLM), también conocida como sinterizado directo de metal por láser (DMLS) o fusión de lecho de polvo por láser (LPBF), es una tecnología de fusión de lecho de polvo utilizada en la fabricación aditiva. La SLM utiliza un láser de alta potencia para fusionar y fundir polvos metálicos y producir objetos 3D totalmente densos capa a capa.
La SLM es una de las tecnologías de impresión 3D de metales más utilizadas gracias a su capacidad para producir geometrías complejas con propiedades mecánicas comparables a las de las piezas metálicas fabricadas tradicionalmente. Esta completa guía ofrece una visión general de la tecnología SLM, aplicaciones, materiales, proveedores de equipos y consejos para empezar.
Visión general de Fabricación aditiva SLM
La SLM es un proceso de impresión 3D por fusión de lecho de polvo que utiliza un láser para fundir y fusionar selectivamente partículas de polvo metálico capa por capa. Una visión general de cómo funciona la SLM:
Descripción general del proceso de fabricación aditiva SLM
| Etapas del proceso | Descripción |
|---|---|
| Creación de modelos 3D | Se crea un modelo CAD de la pieza deseada y se convierte en un archivo STL. |
| Rebanar | El software de corte divide el archivo STL en capas y genera instrucciones de construcción para la impresora. |
| Esparcido de polvo | Una cuchilla de recubrimiento extiende una fina capa de polvo metálico sobre la placa de impresión. |
| Escaneado láser | Un láser de alta potencia funde y fusiona partículas de polvo en el patrón de cada capa, uniéndola a la capa inferior. |
| Plataforma de construcción inferior | La plataforma de construcción desciende y se esparce una nueva capa de polvo por encima. |
| Repetir estratificación | Los pasos se repiten hasta que la pieza completa esté construida capa a capa. |
| Extracción de piezas | El polvo no fundido se retira, dejando al descubierto la pieza impresa en 3D. |
| Tratamiento posterior | La pieza puede requerir un acabado adicional como lijado, pulido, tratamiento térmico. |
Algunas de las principales ventajas de la fabricación aditiva SLM son:
- Capacidad para producir geometrías muy complejas que no son posibles con los métodos convencionales.
- Mínimo desperdicio de material, ya que el polvo puede reutilizarse.
- Los ensamblajes consolidados y las estructuras ligeras pueden imprimirse como una sola pieza.
- Menor tiempo de comercialización al reducir la necesidad de utillajes y herramientas a medida.
- Las piezas pueden personalizarse y diseñarse para un rendimiento óptimo con el diseño generativo.
- Inventario digital: las piezas pueden imprimirse bajo demanda según sea necesario.
- Gran precisión dimensional y repetibilidad.
La SLM permite a empresas de sectores como el aeroespacial, el médico y el automovilístico producir piezas metálicas con propiedades mecánicas que igualan o superan las de los componentes metálicos fabricados tradicionalmente.
Materiales SLM
La fusión selectiva por láser permite procesar una amplia gama de metales y aleaciones metálicas. Los materiales SLM más utilizados son:
Visión general de los materiales SLM
| Material | Propiedades clave | Aplicaciones |
|---|---|---|
| Acero inoxidable (316L, 17-4PH) | Alta resistencia, resistencia a la corrosión | Aeroespacial, automoción, medicina |
| Aleaciones de aluminio (AlSi10Mg, AlSi7Mg) | Ligero, resistente | Aeroespacial, automoción |
| Aleaciones de titanio (Ti6Al4V, TiAl) | Ligero, biocompatible | Aeroespacial, médica |
| Cromo-cobalto (CoCr) | Biocompatible, gran dureza | Implantes dentales y médicos |
| Aleaciones de níquel (Inconel) | Resistencia al calor, alta resistencia | Aeroespacial, automoción |
| Aceros para herramientas | Gran dureza, resistencia al desgaste | Herramientas, moldes |
El material SLM más utilizado es el aluminio por su relación resistencia-peso, resistencia a la corrosión y coste. El titanio es popular para aplicaciones aeroespaciales y médicas en las que la biocompatibilidad y la alta resistencia son fundamentales.
Existen diferentes polvos metálicos con tamaños de partícula que oscilan entre 10 y 45 micras. Los polvos más finos suelen permitir una mayor resolución y precisión. Las partículas de polvo suelen tener forma esférica para una fluidez óptima y un empaquetado denso durante el proceso de fabricación.
Precisión y acabado superficial de las piezas SLM
La SLM es capaz de producir piezas con gran precisión y acabados superficiales adecuados para muchas aplicaciones finales. Estos son algunos valores típicos de las propiedades de las piezas SLM:
Precisión y acabado superficial de SLM
| Atributo | Valores típicos |
|---|---|
| Precisión dimensional | ± 0,1-0,2% con ± 0,03-0,05 mm de tolerancia |
| Resolución | 20-100 micras |
| Rugosidad superficial (as-built) | Ra 10-25 micras, Rz 50-100 micras |
| Porosidad | Casi totalmente denso (>99%) |
| Propiedades mecánicas | Puede igualar las piezas fabricadas tradicionalmente |
En la precisión influyen factores como el diámetro del rayo láser, el tamaño del polvo y el grosor de la capa. Las capas más finas (20-50 micras) permiten una mayor precisión y detalles más finos.
La rugosidad superficial de la SLM es relativamente alta. Se pueden utilizar varias técnicas de acabado para mejorar el acabado superficial, como el lijado, el pulido, el granallado y el revestimiento.
Directrices de diseño de SLM
Para aprovechar con éxito la fabricación aditiva SLM, los componentes deben diseñarse teniendo en cuenta las limitaciones del proceso. Estas son algunas pautas clave para el diseño con SLM:
Directrices de diseño de SLM
| Consideraciones sobre el diseño | Directriz |
|---|---|
| Voladizos | Los voladizos superiores a 45° pueden requerir soportes. |
| Espesor de pared | Se recomienda un grosor de pared mínimo de ~0,3-0,5 mm. |
| Agujeros/Aperturas | Diámetro mínimo de ~1 mm para agujeros redondos. Considere la posibilidad de agujeros en forma de lágrima. |
| Tolerancias | Diseño con tolerancia de +/- 0,1-0,2 mm para aplicaciones de alta precisión. |
| Acabado superficial | Tener en cuenta el tratamiento posterior si se necesita un acabado superficial elevado. |
| Admite | Utilice ángulos autoportantes u optimice la orientación para minimizar los apoyos. |
| Texto | La altura mínima del texto es de 1 mm; evite los textos finos que sobresalgan. |
| Parte Orientación | Optimice los soportes mínimos, los voladizos y el tiempo de construcción. |
Seguir los principios DfAM (Design for Additive Manufacturing) permite maximizar la libertad de diseño de la SLM y producir componentes altamente optimizados que no son posibles con métodos sustractivos.
Aplicaciones SLM
Las posibilidades de la SLM la hacen idónea para fabricar piezas metálicas y prototipos en una amplia gama de sectores, entre ellos:
Principales aplicaciones de la SLM
| Industria | Aplicaciones | Componentes |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Componentes de aeronaves, motores | Álabes de turbinas, toberas de cohetes, intercambiadores de calor |
| Médico | Restauraciones dentales, implantes | Coronas, puentes, implantes ortopédicos |
| Automotor | Piezas de alto rendimiento, diseños personalizados | Chasis ligero, piezas de aluminio personalizadas |
| Herramientas | Moldes de inyección, modelos de fundición | Canales de refrigeración conformados para moldes |
| Consumidores | Productos a medida | Joyas, artilugios, arte decorativo |
| Defensa | Sistemas de armas complejos | Receptores ligeros de armas de fuego |
Ventajas como la ligereza, la consolidación de piezas, la personalización masiva, la creación rápida de prototipos y las mejoras de rendimiento hacen que la SLM resulte atractiva en todos estos sectores. La aditivación de metales también permite nuevos niveles de complejidad y optimización del diseño.
Visión general de los equipos SLM
Las máquinas SLM utilizan un láser para fundir selectivamente polvos metálicos capa por capa basándose en un modelo 3D. Estos son algunos de los principales componentes y funciones de los sistemas SLM modernos:
Componentes de máquinas SLM
| Componente | Descripción |
|---|---|
| Fuente láser | Son habituales los láseres de fibra de hasta 500 W con una longitud de onda en torno a 1 μm. Proporcionan energía para fundir el polvo. |
| Sistema de escaneado | Espejos galvanométricos de alta velocidad o matriz de barrido para controlar el movimiento del láser. |
| Cama de polvo | La plataforma de construcción desciende a medida que se aplican las capas. El polvo se esparce con una cuchilla de repintado o un dosificador de polvo. |
| Suministro de polvo | Contenedores de alimentación de polvo integrados y válvulas para abastecer la zona de construcción. |
| Flujo de gas inerte | Atmósfera de argón o nitrógeno para evitar la oxidación. |
| Controla | Software de preparación y corte del modelo, selección de parámetros, controles del sistema. |
| Tratamiento posterior | Puede incluir equipos de recuperación de polvo, tamizado y limpieza de piezas. |
Capacidades de los equipos SLM
| Parámetro | Alcance típico |
|---|---|
| Construir la envoltura | 100-500 mm x 100-500 mm x 100-500 mm |
| Grosor de la capa | 20-100 μm |
| Tamaño del punto láser | 50-120 μm |
| Velocidad de exploración | Hasta 10 m/s |
| Tamaño mínimo del elemento | 150-300 μm |
| Materiales | Acero inoxidable, aluminio, titanio, Inconel, etc. |
Las máquinas SLM de gama alta ofrecen mayores volúmenes de fabricación, mayor potencia láser para una fabricación más rápida y funciones como el multiláser. Los proveedores ofrecen desde impresoras de sobremesa de tamaño de oficina hasta sistemas de producción a gran escala.
Postprocesado SLM
Las piezas metálicas impresas con SLM suelen requerir un postprocesado para conseguir el acabado y las propiedades deseadas. Algunos pasos típicos del postprocesado son:
Postprocesado SLM
| Proceso | Descripción |
|---|---|
| Retirada del soporte | Retirada de las estructuras de soporte de la pieza. |
| Alivio del estrés térmico | Tratamiento térmico para aliviar las tensiones residuales del proceso de fabricación. |
| Acabado de superficies | Lijado, esmerilado, pulido, granallado para mejorar el acabado superficial. |
| Prensado isostático en caliente | Aplicar alta temperatura y presión para aumentar la densidad y mejorar las propiedades. |
| Mecanizado | Mecanizado CNC convencional para características o superficies de mayor precisión. |
| Revestimientos | Aplicación de revestimientos especiales para resistir el desgaste, la corrosión, etc. |
El postprocesado específico depende del material, los requisitos de uso final y las propiedades deseadas. También pueden realizarse procesos como el recocido para modificar la microestructura y el comportamiento mecánico según sea necesario.
Cómo elegir un proveedor de SLM
Seleccionar al proveedor de SLM adecuado es importante a la hora de adoptar esta tecnología. Estas son las consideraciones clave para elegir un proveedor de equipos SLM:
Elegir un proveedor de SLM
| Consideración | Detalles |
|---|---|
| Construir la envoltura | Ajuste el volumen de fabricación a sus necesidades de tamaño de pieza. Las máquinas más grandes tienen un mayor coste inicial. |
| Materiales | Asegúrese de que la máquina ofrece los materiales con los que desea imprimir, como acero inoxidable, titanio, etc. |
| Precisión/Acabado superficial | Seleccione la tecnología adecuada a los requisitos de su aplicación. Puede requerir tratamiento posterior. |
| Producción frente a creación de prototipos | Modelos de sobremesa de bajo coste para la creación de prototipos. Sistemas de producción de mayor tamaño para la fabricación. |
| Parámetros/Controles | Revise los parámetros de construcción disponibles, los perfiles de material y las capacidades del software. |
| Formación y asistencia | Busque programas de formación y una asistencia técnica receptiva. |
| Equipos de postprocesado | Requiere inversión en equipos de recuperación de polvo, acabado superficial y tratamiento térmico. |
| Ecosistema de software | Evaluar las capacidades de preparación de archivos, simulación de procesos e integración de software MES. |
| Cumplimiento y certificación | Importante para sectores muy regulados como el aeroespacial, el médico o el de automoción. |
Trabaje con los proveedores de SLM para seleccionar el equipo adecuado a sus necesidades específicas de producción y de piezas. Muchos proporcionan piezas de muestra para evaluar la calidad y las propiedades de los materiales.
Proveedores y costes de los equipos SLM
Existe una amplia gama de proveedores de equipos que ofrecen sistemas SLM para la fabricación aditiva de metales. A continuación se ofrece una descripción general de los principales proveedores de SLM y los precios aproximados de los sistemas:
Proveedores de SLM
| Proveedor | Sistemas de muestras | Coste aproximado |
|---|---|---|
| EOS | EOS M290, EOS M400 | $500,000 – $1,500,000 |
| Soluciones SLM | SLM®500, SLM®800 | $400,000 – $1,000,000 |
| Sistemas 3D | Fábrica DMP 500 | $500,000 – $800,000 |
| Aditivos GE | Concepto Láser M2 Serie 5 | $700,000 – $1,200,000 |
| Renishaw | RenAM 500M | $500,000 – $750,000 |
Sistemas SLM de sobremesa
| Proveedor | Sistemas de muestras | Coste aproximado |
|---|---|---|
| Markforged | Metal X | $100,000 – $200,000 |
| Metal de sobremesa | Sistema de estudio 2 | $120,000 – $200,000 |
| AddUp | FormUp 350 | $100,000 – $300,000 |
Para volúmenes de producción reducidos, necesidades de creación de prototipos o presupuestos limitados, existen sistemas SLM de sobremesa a partir de menos de $100.000. Los sistemas de producción más grandes oscilan entre $400.000 y más de $1 millón.
Instalación y funcionamiento de las impresoras SLM
Para instalar y utilizar una impresora SLM, algunos requisitos clave son:
Instalación y funcionamiento de la impresora SLM
| Consideración | Detalles |
|---|---|
| Espacio | El equipo ocupa mucho espacio. Deje espacio para la manipulación de polvo, post-procesamiento. |
| Potencia | Requiere un suministro eléctrico de 220 V-480 V, puede necesitar un enfriador para la refrigeración. |
| Gas inerte | Suministro de nitrógeno o argón con depósitos de reserva. |
| Ventilación | Sistema de extracción de humos para ventilar las emisiones del proceso. |
| Dotación de personal | Formaba a los operarios en la preparación de archivos, preparación de montajes y manipulación de polvo. |
| Seguridad | Siga los protocolos de manipulación de polvo, manipulación de productos químicos, uso de láser. EPI. |
| Mantenimiento | Se requiere mantenimiento diario y periódico, según las directrices del proveedor. |
| Optimización de parámetros | Ensayos necesarios para optimizar los parámetros del proceso SLM. |
| Extracción de piezas | Utilice el sistema de recuperación de polvo o la guantera para la extracción manual. |
Colabore estrechamente con su proveedor de equipos para preparar las instalaciones y formar al personal. Prevea una curva de aprendizaje para dominar el funcionamiento de la impresora y las piezas de posprocesamiento.
Ventajas y limitaciones de la impresión SLM
A continuación se ofrece una visión general de las principales ventajas y limitaciones de la tecnología de fusión selectiva por láser:
Ventajas de SLM
- Geometrías complejas y estructuras ligeras
- Alta resistencia y dureza superficial
- Plazos de producción cortos
- Material de desecho mínimo
- Diseños digitales flexibles y personalizables
Limitaciones del SLM
- Costes de producción por pieza relativamente elevados
- Tamaño limitado en función de la superficie construida
- A menudo es necesario el postprocesado
- Propiedades anisótropas de los materiales
- Cualificación necesaria para aplicaciones de alto rendimiento
- Selección limitada de materiales más allá de los metales
Para las aplicaciones adecuadas, la SLM puede ofrecer ventajas significativas sobre la fundición, el mecanizado CNC y otros procesos convencionales de fabricación de piezas metálicas. La tecnología sigue avanzando para ampliar las capacidades de producción.
SLM frente a otros procesos de impresión 3D de metales
La SLM es una de las diversas tecnologías de fabricación aditiva de metales disponibles. Comparémosla con otros procesos de impresión 3D de metales:
Comparación de los procesos de impresión 3D en metal
| SLM | DED | Chorro aglomerante | |
|---|---|---|---|
| Fuente de energía | Láser | Alambre metálico alimentado | Adhesivos |
| Enfoque constructivo | Lecho de polvo | Soldadura por deposición | Lecho de polvo + aglutinante |
| Materiales | Al, Ti, CoCr, más | Al, Ti, inoxidable, más | Acero inoxidable, superaleaciones |
| Precisión | Alta | Moderado | Media a alta |
| Acabado superficial | Áspero a moderado | Áspero | Suave |
| Tamaño del edificio | Pequeña a mediana | Mediana a grande | Mediana a grande |
| Productividad | Bajo a moderado | Alta | Alta |
La SLM es valiosa para piezas pequeñas y medianamente precisas con buenas propiedades mecánicas. El DED es más rápido y puede producir piezas muy grandes. La inyección de aglutinante ofrece una alta productividad, pero tiene limitaciones en cuanto a las propiedades del material.
Costes de la impresión 3D de metales SLM
A continuación se ofrece un resumen de los factores de coste típicos de la fusión selectiva por láser:
Factores de coste de la GST
- Adquisición de maquinaria ($100.000 - $1.000.000+)
- Costes de material ($50-$500/kg polvo)
- Mano de obra para operaciones y postprocesamiento
- Equipos adicionales para la manipulación y el acabado del polvo
- Mejoras en las instalaciones, como ventilación, servicios públicos
- Volumen de producción (costes más altos para volúmenes bajos)
A modo de contexto, las piezas metálicas impresas con SLM pueden oscilar entre $2.000 y $10.000+ por pieza, en función de los factores anteriores. Utilice SLM para volúmenes bajos o medios en los que las ventajas superen a los costes. Los métodos sustractivos, como el mecanizado CNC, son más económicos para volúmenes mayores.
Normas del sector SLM
Como tecnología emergente, la fabricación aditiva SLM es un área activa para el desarrollo de normas que respalden la calidad, la repetibilidad y la cualificación de las piezas. Algunas de las principales actividades normativas son:
Desarrollo de normas SLM
| Organismo de normalización | Ejemplos de esfuerzos |
|---|---|
| ASTM | Normas para el tratamiento de lechos de polvo, métodos de ensayo y materiales como las aleaciones de titanio. |
| ISO | Normas sobre terminología, diseño, procesos, métodos de ensayo y principios de cualificación. |
| SAE | Especificaciones de materiales y procesos aeroespaciales para la fusión por láser en lecho de polvo. |
| API | Desarrollo de normas de proceso para aplicaciones de petróleo y gas. |
| ASME | Guías de diseño, materiales y cualificación de procesos. |
| America Makes y ANSI | Hoja de ruta para la normalización de la AM metálica. |
La certificación y el cumplimiento de las normas son fundamentales para que las industrias reguladas adopten con confianza la tecnología SLM AM. El desarrollo continuo de normas permitirá una mayor adopción de la tecnología SLM en todos los sectores.
Primeros pasos en la impresión SLM sobre metal
Para las empresas que exploran la tecnología de fusión selectiva por láser, he aquí algunos pasos recomendados para empezar:
Consejos para empezar con SLM
- Evaluar la idoneidad del material y la aplicación de la SLM
- Comparar las capacidades de los proveedores de máquinas SLM
- Presupuesto para equipamiento, instalación, materiales y costes de formación
- Si es posible, empiece con un socio de producción AM experimentado
- Diseño de piezas de prueba adaptadas a los puntos fuertes de la SLM
- Optimizar parámetros del proceso como orientaciones, soportes, grosor de capa, etc.
- Validar que las propiedades mecánicas cumplen los requisitos
- Evaluar las necesidades de postprocesado para el acabado
- Desarrollar la experiencia interna y el programa de formación
- Aprovechar los recursos de diseño AM y las herramientas de software
Asociarse con un proveedor de servicios de SLM puede ayudar a minimizar los riesgos iniciales y acceder a conocimientos avanzados sobre la tecnología. A medida que se adquiere experiencia, la introducción de la SLM en la propia empresa proporciona el máximo control de la producción y protección de la propiedad intelectual.
preguntas frecuentes
P: ¿Qué materiales pueden procesarse con SLM?
R: Los materiales de SLM más comunes son el aluminio, el titanio, el acero inoxidable, el cobalto-cromo, las aleaciones de níquel y los aceros para herramientas. Continuamente se están desarrollando nuevas opciones de materiales.
P: ¿Cuál es la precisión típica de las piezas impresas con SLM?
R: La precisión suele rondar ±0,1-0,2% con tolerancias posibles de ±0,03-0,05 mm. Las capas más finas, de hasta 20 micras, permiten una mayor precisión.
P: ¿Requiere la SLM algún tratamiento posterior?
R: Para obtener las propiedades y el aspecto estético deseados, a menudo es necesario algún tratamiento posterior, como la eliminación de soportes, el acabado superficial, el tratamiento térmico y el mecanizado.
P: ¿Qué densidad tienen las piezas metálicas impresas por SLM?
R: La SLM puede producir piezas casi totalmente densas (densidad >99%) siempre que los parámetros estén optimizados para el material utilizado.
P: ¿Qué tipos de diseños son los mejores para la SLM?
R: Las geometrías complejas y ligeras con celosías y formas orgánicas son las que más se benefician de la libertad de diseño de la SLM. Evite los elementos delgados o estrechos sin soporte.
P: ¿Es posible imprimir piezas grandes con SLM?
R: El tamaño máximo está limitado por la envolvente de la impresora, que suele ser inferior a 500x500x500 mm. Se están desarrollando sistemas más grandes, pero tienen sus desventajas.
P: ¿Cómo es la calidad en comparación con la fabricación tradicional?
R: Con la optimización de los parámetros y el posprocesamiento, las piezas SLM pueden alcanzar propiedades de material equiparables a las de los métodos tradicionales. Sigue siendo necesaria la cualificación de la pieza.
P: ¿Qué factores influyen más en los costes?
R: El equipamiento de las máquinas, los costes de material, la mano de obra, el volumen y la complejidad del postprocesado son los principales factores. Optimizarlos puede reducir los costes.